Ny gränssnittsstrategi förbättrar jonflödet i fasttillståndsbatterier

Litiumjonbatterier har blivit den globala standarden. Idag är det den mest populära och mest använda batteritypen, med en marknadsstorlek som uppskattas till cirka $65 miljarder år 2023.

Men naturligtvis är de inte utan nackdelar, inklusive temperatursensitivitet, säkerhetsproblem och begränsad livslängd.

För att göra Li‑ion‑batterier säkrare och kraftfullare ersätts flytande elektrolyter med fasta för att skapa fasttillståndsbatterier, vars marknad är förutspådd att växa med en CAGR på 41,6 % mellan 2024 och 2032. 

Ett skifte till fasttillståndsbatterier (SSB)

I ett batteri är elektrolyten materialet som möjliggör att joner kan röra sig genom enheten för att generera kraft.

Alltså är ett batteri med en fast elektrolyt ett fasttillståndsbatteri, som ger högre energitäthet, snabbare laddning, temperaturresistens, längre livslängd och förbättrad säkerhet.

Trots deras löften står SSB också inför flera utmaningar, inklusive komplex tillverkning och potentiella säkerhetsproblem relaterade till dendritbildning. Dessutom kan de uppleva interfacial delaminering, vilket begränsar deras prestanda och livslängd. Tillsammans hindrar dessa begränsningar den breda antagandet av SSB.

För att övervinna dessa utmaningar arbetar forskare och företag runt om i världen aktivt med att utveckla tekniken.

Till exempel siktar på en energitäthet på 900 Wh/L genom sin proprietära fasta elektrolyt och anodlösa teknologier, 40 % högre än deras nuvarande batterier. 

Chinese giants CATL and BYD are also making significant strides in SSB tech, with the former working on a hybrid “condensed state battery” and the latter researching oxide- and sulfide-based solid electrolytes, both targeting an energy density of 500 Wh/kg.

I EU har Volkswagen inlett ett partnerskap med QuantumScape (QS ). Deras batterienhet, PowerCo, har också säkrat ett licensavtal för att massproducera fasttillståndsceller med en initial kapacitet på 40 GWh per år, 30 % längre räckvidd och ultrasnabb laddning.

Nissan planerar att påbörja massproduktion av sina första fasttillståndsceller innan årtiondet är slut, medan LG siktar på 2030 för kommersialisering. Solid Power (SLDP ) har under tiden inlett partnerskap med Ford (F ), BMW och SK Innovation för att påskynda kommersialiseringen av helt fasta batterier med fokus på sulfiddrivna fasta elektrolyter för elfordon.

Tidigare denna månad presenterade det tyska multinationella bilföretaget Mercedes‑Benz Group AG (tidigare Daimler) den första bilen som drivs av ett litium‑metall‑SSB på vägen. Prototyp‑SSB‑en integrerades i en EQS sent förra året.

SSB i ett EQS‑baserat fordon kan öka räckvidden med 25 %, noterade företaget.

Så, även om utvecklingen pågår, är kommersialiseringen av SSB fortfarande flera år bort. Under tiden har ett forskarteam från University of Texas at Dallas upptäckt ett sätt att förbättra prestandan hos fasttillståndsbatterier.

Förbättra jonledningsförmågan i SSB

Publicerad i ACS Energy Letters beskriver den senaste studien upptäckten av en förbättrad jonledningsförmåga¹ vid blandning av en fast elektrolyt med en annan fast. 

Denna ökade jonledningsförmåga orsakas av bildandet av ett rymdladdningslager vid gränssnittet, vilket ger en ny strategi för att utveckla snabba jonledare för SSB. ‘Rymdladdningslagret’, som ett resultat av blandning av små partiklar mellan två fasta elektrolyter, är en ansamling av elektrisk laddning vid gränssnittet mellan de två materialen.

Det som händer är att när de separata fasta elektrolytmaterialen kommer i fysisk kontakt bildas ett lager vid deras gräns. Vid gränsen samlas laddade partiklar på grund av skillnader i varje materials kemiska potential.

Lagret hjälper sedan till att skapa vägar som underlättar för dessa laddade partiklar eller joner att röra sig över gränssnittet. Enligt studiens med‑correspondentförfattare, Dr. Laisuo Su, som är assistentprofessor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science:

“Föreställ dig att blanda två ingredienser i ett recept och oväntat få ett resultat som är bättre än någon av ingredienserna ensam.” 

Han tillade:

“Denna effekt ökade jonrörelsen bortom vad någon av materialen kunde uppnå på egen hand,” tillade han.

Dr. Sus forskning fokuserar på att utveckla revolutionerande material för förnybara energienheter inom återuppladdningsbara batterier. Förutom ett särskilt intresse för elektrolyter, både fasta och flytande, samt elektrolyt‑elektrod‑gränssnittet där kritiska reaktioner sker, arbetar han med att bygga avancerade verktyg för att övervaka kemiska och elektrokemiska reaktioner i förnybara energisystem.

“Denna upptäckt föreslår ett nytt sätt att designa bättre fasta elektrolyter genom att noggrant välja material som interagerar på ett sätt som förbättrar jonrörelsen, vilket potentiellt leder till bättre presterande fasttillståndsbatterier.”

– Dr. Su

Som en del av UTD:s Batteries and Energy to Advance Commercialization and National Security (BEACONS)-initiativ, som fick 30 miljoner dollar i finansiering från försvarsdepartementet vid lanseringen 2023, syftar projektet till att utveckla och kommersialisera ny batteriteknik och tillverkningsprocesser, förbättra den inhemska tillgången på kritiska råmaterial och utbilda högkvalitativ arbetskraft för industrin.

Enligt studiens med‑correspondentförfattare, Dr. Kyeongjae Cho, som också är professor i materialvetenskap och ingenjörskonst samt chef för BEACONS:

“Fasttillståndsbatteriteknik är en del av vår forskning om nästa generations batterikemi vid BEACONS‑centret, och den förväntas möjliggöra avancerade batterisystem för att förbättra prestandan hos drönare för försvarsapplikationer.”

Litium‑jon‑batterier som för närvarande används i konsumentprodukter innehåller främst flytande elektrolyter, vilka är brandfarliga och därmed medför säkerhetsrisker.

När konventionella Li‑ion‑batterier når sin teoretiska gräns för hur mycket energi de kan lagra, visar SSB, enligt Su, löfte på att generera och lagra mer än dubbelt så mycket kraft som batterier med flytande elektrolyter. Och eftersom de inte är brandfarliga är de också säkrare.

Att flytta joner genom fasta material är dock svårt, vilket skapar utmaningar i utvecklingen av fasttillståndsbatterier.

Forskarnas studerade därför prestandan hos två lovande fasta elektrolyt‑föreningar (SSE). Dessa inkluderar litium‑zirkoniumklorid (Li2ZrCl6) och litium‑yttriumklorid (Li3YCl6).

Forskarnas föreslog sedan en teori om varför blandning av dessa ökade jonaktiviteten. ”Gränssnittet bildade unika kanaler för jontransport,” sade Su.

Framöver kommer forskarna fortsätta att studera hur sammansättningen samt strukturen av gränssnittet ger högre jonledningsförmåga.

Hantera dendritproblemet i SSB

Behovet av batterier med högre energitäthet har lett till att ett annat forskarlag arbetar med det kritiska dendritproblemet. Ursprungligen trodde man att dendriter inte kunde tränga igenom den fasta elektrolyten. Men precis som i andra batteriarkitekturer är de också ett problem för helt fasta batterier.

Ett team av ingenjörer och materialvetare från flera institutioner i Kina har upptäckt² att metallutmattning vid anod är en av de stora orsakerna till att SSB misslyckas över tid. Det bidrar också till nedbrytning av gränssnittet och tillväxt av dendriter.

Gruppen använde scanningelektronmikroskopi och fasfältssimuleringar för att studera dendrittillväxt i litium‑SSB.

De fann att under laddning och återladdning orsakade den ständiga svällningen och sammandragningen av litium metallutmattning i anoden, vilket främjade dendrittillväxt. Mer specifikt ledde den ständiga expansionen och kontraktionen till bildning av mikrotomrum och sprickor i anoden, vilket resulterade i dendrittillväxt och nedbrytning, även vid låga densiteter.

En dendrit är en trädliknande struktur som bildas på grund av kemiska reaktioner på anodens yta.

Anoder i ett batteri genomgår litiumpläterings- och avpläteringsprocesser under laddnings‑ och urladdningscykler. I denna reversibla process deponeras litiumjoner på anodens (pläterings) yta och avlägsnas (avplätering) från den under normala cyklerna (laddning och urladdning) av batteriet.

En icke‑uniform deponering av litiumjoner på anodens yta tenderar dock att skapa platser som attraherar fler litiumjoner, vilket leder till en kedja av litiumjoner som växer längre. Den trädliknande strukturen penetrerar sedan batteriet, bryter ner batteriets struktur och orsakar kortslutning.

I SSB finns ett stort kontaktområde mellan litiummetall och den fasta elektrolyten. Om några tomrum uppstår i den fasta elektrolyten fyller litiummetallen dem snabbt, vilket orsakar allvarlig dendritbildning och djup sprickpropagation genom elektrolyten.

Så, Haegyeom Kim, en materialvetenskapsanställd vid Lawrence Berkeley National Laboratory i Kalifornien, publicerade³  en lösning på detta problem.

Deras studie beskriver användning av ett dubbelt buffertlager av tenn‑kol på strömsamlaren för att förhindra bildning av dendriter i litium, anodfria helt fasta batterier (ASSB). I denna SSB‑arkitektur byggs en anod inte i förväg, utan den bildas under den första laddningscykeln på strömsamlaren av litiumjonerna från katoden för att minska komplexitet, vikt och kostnad.

En tidigare artikel från forskare på Samsung visade möjligheten att använda silver‑ och kol‑lager som ett buffertlager i litiumbatterier, med en mycket stabil och uniform litiumpläterings‑ och avpläteringscykel.

När de studerade varför detta var effektivt fann Kims team att silver är mycket litofilt, och litiumjonerna fördelas jämnt ovanpå dess lager, även vid höga litiumkoncentrationer, vilket gör litiumpläteringen mycket homogen så länge silverdepositionen är jämn.

Att förstå kolens roll här bildade dock grunden för det nya arbetet, där teamet valde tenn, som fungerar bättre än det kostsamma silvret.

För att ta reda på kolens roll designade teamet flera tester och använde fyra olika batteri‑halvceller. En med ett tenn‑buffertlager, en utan buffertlager, en med tenn ovanpå kol‑buffertlagret och en med kol ovanpå tenn‑buffertlagret.

Lagren deponerades på en rostfri stål‑strömsamlare, och buffertlagret med kol ovanpå tenn visade den bästa prestandan.

“Vi insåg att tenn fungerar som ett litofilt lager likt silver, så tennens placering är viktig, eftersom det är där pläteringen sker.”

– Kim

Kol‑lagret visade sig vara litofobiskt, vilket betyder att litiumjonerna har svårt att passera detta lager och föredrar att gå åt motsatt håll. Att placera det på tenn hindrade migrationen av litium från det nyutvecklade pläteringslagret på tenn och stoppade dendritpenetrationen i elektrolyten.

Enligt Kim:

“Det handlar inte bara om de inneboende egenskaperna hos ett enskilt material. Hur vi kombinerar dem är så viktigt, eftersom det kan förändra barriärlagrets egenskaper avsevärt.”

Teamet arbetar nu med nya buffertlager med bättre prestanda, testar över längre cykler och går vidare till mer praktiska system.

Avlägsna tomrummen för att öka livslängden

Ytterligare ett genombrott för att föra SSB ett steg närmare verkliga tillämpningar gjordes genom att förstå varför tillsats av små mängder metaller som magnesium till anoden förbättrar batteriprestanda.

Även om detta görs ofta, har man tidigare inte vetat exakt varför förrän nu. 

För detta tittade forskare från University of Houston in i allt som händer i SSB med operativ scanningelektronmikroskopi för att förstå varför de bryts ner och vad som kan göras för att bromsa processen.

“Denna forskning löser ett långvarigt mysterium om varför fasttillståndsbatterier ibland misslyckas,” sade korresponderande författare Yan Yao, Hugh Roy och Lillie Cranz Cullen Distinguished Professor i elektroteknik och datorteknik samt huvudutredare vid Texas Center for Superconductivity.

Deras upptäckt⁴ gör, enligt Yao, att SSB kan fungera under lägre tryck. Detta kan potentiellt minska behovet av skrymmande yttre höljen och förbättra den övergripande säkerheten.

Det som har lärts är att med tiden bildas små tomrum inom batteriet som skapar ett stort gap, vilket får batteriet att gå sönder. Flera tester visade att bara tillsats av en liten mängd element som magnesium (Mg) kan fylla dessa utrymmen och hjälpa batteriet att fortsätta fungera.

“Med bara en liten justering av batteriets kemi kan vi dramatiskt förbättra dess prestanda, särskilt under praktiska förhållanden som lågt tryck.”

– Första författaren Lihong Zhao, lektor i elektroteknik och datorteknik vid UH

SSB kräver högt externt stapeltryck för att förbli intakta under drift, men som Zhao påpekade, “genom att noggrant justera batteriets kemi kan vi avsevärt sänka det tryck som behövs för att hålla det stabilt.”

Forskare från University of Missouri använde under tiden fyrdimensionell scanning transmission electron microscopy (4D STEM) för att utvärdera batteriets atomstruktur.

De fann att när den fasta elektrolyten kommer i kontakt med katoden reagerar den och bildar ett interfaslager på 100 nm tjocklek, vilket hindrar litiumjoner och elektroner från att röra sig fritt, vilket i sin tur begränsar batteriets prestanda.

Forskarteamet planerar nu att testa om tunnfilmiga material bildade genom en ångfasdepositonsprocess (oMLD) kan ge ett skyddande lager “tunt nog för att förhindra reaktioner” mellan den fasta elektrolyten och katodmaterialen, “men inte så tjockt att de blockerar litiumjonflödet.”

Använda AI för att stödja SSB‑forskning & utveckling

Med artificiell intelligens som omvandlar industrier är det logiskt att forskare också använder dess hjälp för att lösa problemet med SSB‑forskning och -utveckling, som är resursintensiva och tidskrävande.

Den komplexa kemiska miljön i SSB gör faktiskt prestandaprediktion svår och fördröjer storskalig industrialisering.

I en studie⁵ från förra veckan pekade ingenjörer från Soochow University och Nanjing University, Kina, på AI:s potential att möjliggöra effektiv materialgenomgång och prestandaprediktion. De senaste framstegen i användning av maskininlärnings‑ (ML‑) algoritmer kan, enligt dem, användas för att gräva i omfattande materialdatabaser och påskynda upptäckten av högpresterande material som är lämpliga för SSB.

Den snabba utvecklingen av AI‑teknik ger, enligt studien, nya idéer för att tackla de stora utmaningarna med SSB, vilka är anod‑gränssnittet, katod‑gränssnittet, syntes och upptäckt av elektrolyter samt batteritillverkning.

Forskare från Skoltech och AIRI Institute utnyttjade också neurala nätverk och fann dem kapabla att identifiera lovande material för den fasta elektrolyten samt dess skyddande beläggningar.

“Vi demonstrerade att graf‑neuronala nätverk kan identifiera nya fasttillståndsbatterimaterial med hög jonmobilitet och göra det flera storleksordningar snabbare än traditionella kvantkemi‑metoder,” vilket potentiellt kan påskynda utvecklingen av nya batterimaterial, sade huvudförfattaren Artem Dembitskiy.

Med den maskininlärningsaccelererade metoden identifierade forskarna föreningarna Li3AlF6 och Li2ZnCl4 som lovande beläggningsmaterial för den superjoniska litiumledaren Li10GeP2S12.

Investera i SSB‑teknik

När det gäller att investera i ett företag som aktivt utvecklar fasttillståndsbatteriteknik erbjuder Toyota (TM ) solid potential.

Den japanska biltillverkaren har inlett partnerskap med Panasonic för att bilda ett joint venture kallat Prime Planet Energy & Solutions, med fokus på sulfiddrivna fasta elektrolyter. Företaget planerar att påbörja produktion nästa år, med massproduktion förväntad först 2030, med mål om 1 000 km räckvidd, 10‑minuters snabbladdning och en årlig kapacitetsmål på 9 GWh.

Det har också inlett partnerskap med Idemitsu Kosan för att massproducera sulfiddrivna elektrolyter till 2027–2028.

Toyota Motor Corp (TM )

Toyotas förhållande till fasttillståndsbatterier började för nästan två decennier sedan med inrättandet av en Battery Research Division, vars syfte är att utveckla nästa generations batterier för hybrid- och elfordon.

När det gäller Toyotas marknadsprestation har den varit ganska stark, med aktier som för närvarande handlas till $183,60. Trots en nedgång på 4,87 % år‑till‑datum har de stigit över 17 % sedan deras lägsta nivå i april. Redan förra året, i mars, passerade företagets aktiekurs $255 och nådde ett nytt toppvärde.

Med en börsvärde på $292,4 miljarder, är Toyotas EPS (TTM) 24,01 och P/E (TTM) 7,71. Företaget erbjuder dessutom en attraktiv utdelningsavkastning på 3,27 %.

Företagets finansiella resultat för Q1 2025 visade att nettoomsättningen ökade med 6,5 % till $314 miljarder, medan rörelseresultatet minskade med över 15 % till $31,3 miljarder. Under denna period sålde företaget totalt cirka 9 362 000 enheter. Trots att försäljningen minskade med 81 000 enheter under kvartalet var Toyota fortfarande det bäst sålda märket.

Detta kommer efter att Toyota sålde 10,8 miljoner fordon år 2024 och blev världens mest sålda biltillverkare för femte året i rad.

Senaste nyheter och utveckling kring Toyota Motor Corp. (TM) aktie